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窄间隙焊接的应用现状及发展趋势

2016-11-02 15:01:00
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摘要：自1963年12月《铁时代》杂志上首次刊发由美国Battelle研究所开发的窄间隙焊接技术以来（术语“窄间隙焊接”于1966年5月第一次出现在《British Welding Journal》杂志上发表的由美国Battelle芯克腞 P Meister和D C Matin合写的文章中
自1963年12月《铁时代》杂志上首次刊发由美国Battelle研究所开发的窄间隙焊接技术以来（术语“窄间隙焊接”于1966年5月第一次出现在《British Welding Journal》杂志上发表的由美国Battelle芯克腞 P Meister和D C Matin合写的文章中〔1〕），窄间隙焊接技术作为一种更先进的焊接技术，立即受到了全世界各国焊接专家的高度关注，并相继投进了大量的研究〔2〕。V Y 马林从很多刊物中整理出了窄间隙焊接的下述特征〔3〕：①是利用了现有的弧焊方法的一种特别技术；②多数采用I形坡口，坡口角度大小视焊接中的变形量而定；③多层焊接；④自下而上的各层焊道数目相同（通常为1或2道）；⑤采用小或中等热输进进行焊接；⑥有全位置焊接的可能性。

日本压力容器委员会施工分会第八专门委员会曾审议了窄间隙焊接的定义，并作了如下规定〔4〕：窄间隙焊接是把厚度30mm以上的钢板，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法（板厚小于200mm）。经过半个多世纪的研究和发展，人们对其焊接方法和焊接材料进行了大量的开发和研究工作，目前窄间隙焊在很多国家的产业生产中都发挥着巨大的作用。

1 窄间隙焊接技术的分类和原理

窄间隙焊接技术按其所采取的工艺来进行分类〔5〕，可分为窄间隙埋弧焊（NG-SAW）、窄间隙熔化极气体保护焊（NG-GMAW）、窄间隙钨极氩弧焊（NG-GTAW）、窄间隙焊条电弧焊、窄间隙电渣焊、窄间隙激光焊，每种焊接方法都有各自的特点和适应范围。

1.1 窄间隙埋弧焊

1.1.1 窄间隙埋弧焊简介

窄间隙埋弧焊出现于上世纪80年代，很快被应用于产业生产，它的主要应用领域是低合金钢厚壁容器及其它重型焊接结构。窄间隙埋弧焊的焊接接头具有较高的抗延迟冷裂能力，其强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头，与传统埋弧焊相比，总效率可进步50%～80%；可节约焊丝38%～50%，焊剂56%～64.7%。窄间隙埋弧焊已有各种单丝、双丝和多丝的成套设备出现，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且要求焊剂具有焊接时所需的载流量和脱渣效果，从而使焊缝具有合适的力学性能。一般采用多层焊，由于坡口间隙窄，层间清渣困难，对焊剂的脱渣性能要求秀高，尚需发展合适的焊剂。

尽管SAW工艺具有如下优点：高的熔敷速度，低的飞溅和电弧磁偏吹，能获得焊道外形好、质量高的焊缝，设备简单等，但是由于在填充金属、焊剂和技术方面取得的最新进展，使日本、欧洲和俄罗斯等国家和地区在焊接碳钢、低合金钢和高合金钢时广泛采用NG-SAW工艺。

NG-SAW用的焊丝直径在2～5mm之间，很少使用直径小于2mm的焊丝。据报导，最佳焊丝尺寸为3mm。4mm直径焊丝推荐给厚度大于140mm的钢板使用，而5mm直径焊丝则用于厚度大于670mm的钢板。

NG-SAW焊道熔敷方案的选择与很多因素有关。

单道焊仅在使用专为窄坡口内易于脱渣而开发的自脱渣焊剂时才采用。然而，尽管使用较高的坡口填充速度，单道焊方案较之多道焊方案仍有一些不足之处。除需要使用非标准焊剂之外，它还要求焊丝在坡口内非常正确地定位，对间隙的变化有较严格的限制。对焊接参数，特别是电压的波动以及凝固裂纹的敏感性大，限制了这一工艺的适应性。单道焊在日本使用较多。

日本以外的其他国宝广泛使用多道焊，其特点是坡口填充速度相当低，但其适应性强，可靠性高，产生缺陷少。尽管焊接本钱较高，但这一方案的最重要之处在于，答应使用标准的或略为改进的焊剂，以及普通SAW焊接工艺。

1.1.2 窄间隙埋弧焊的焊接特性

窄间隙焊接是在应用已有的焊接方法和工艺的基础上，加上特殊的焊丝、保护气、电极向狭窄的坡口内导进技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术。埋弧焊的上风和局限性就直接遗传给窄间隙埋弧焊技术，并在很大程度上决定着窄间隙焊接的技术特性、经济特性、应用特性和可靠性〔7〕：

（1）埋弧焊时电弧的扩散角大，焊缝外形系数大，电弧功率大，再配合适当的丝－壁间距控制，无需像熔化极气体保护焊那样，必须采用较复杂的电弧侧偏技术，即埋弧焊方法的电弧热源及其作用特性，可直接解决两侧的熔合题目，这是埋弧焊方法在窄间隙技术中应用比例最高的重要原因。

（2）焊接过程中能量参数的波动对焊缝几何尺寸的影响敏感程度低。这是由于埋弧焊方法的电弧功率高，同样的电流波动量△I，在埋弧焊时所引起的波动幅度要小得多。

（3）埋弧焊过程中熔滴为渣壁过渡，液渣罩和固态焊剂的高效“阻挡”作用，根本不会产生飞溅，这是埋弧焊在所有熔化极弧焊方法中所独占的特性，正是窄间隙焊技术所全力追寻的。由于深窄坡口内一旦产生较大颗粒的飞溅，无论是送丝稳定性、保护的有效性还是窄间隙焊枪的相对移动可靠性都将难以保证。

（4）在多层多道方式焊接时，通过单道焊缝外形系数的调节，可以有效地控制母材焊接热影响区和焊缝区中粗晶区和细晶区的比例。通常焊缝外形系数越大，热影响区和焊缝区中的细晶区比例越大。这是由于焊道熔敷越薄，后续焊道对先前焊道的累积热处理作用越完全，通过一次、二次甚至三次固态相变，使焊缝和热影响区中的部分粗晶区转变成细晶区，这对进步窄间隙焊技术中焊态接头的组织均匀性和力学性能均匀性具有极其重要的意义。
埋弧焊方法依靠电弧自身特性而无需采取特别技术即可解决极小坡口面角度（0o～7o）条件下的侧壁熔合困难；焊缝几何尺寸对电弧能量参数波动不敏感；无焊接飞溅的技术特性无条件地遗传给窄间隙焊技术，从而极大地进步了窄间隙埋弧焊时送丝、送气及焊枪在坡口内移动的可靠性，这对保证窄间隙焊接的熔合质量和过程可靠性起了决定作用。然而，埋弧焊方法的局限性也原原本本地遗传给了窄间隙技术。

（1）由于狭窄坡口内单道焊接时极难清渣，使得窄间隙焊接时，必须采用每层2道（或3道）的熔敷方式，这将带来NG-SAW技术中，不可能把填充间隙缩到像NG-TIG，NG-GMAW那样小（10mm左右），而最小间隙一般也在18mm左右，这是NG-SAW在技术和经济上难以更理想化的根本原因。

（2）埋弧焊方法的诸多技术上风起源于大电弧功率，这将使得NG-SAW时焊接热输进增大，焊接接头的焊态塑、韧性难以进步，重要的NG-SAW接头经常需要焊后热处理方可满足使用性能要求。

（3）难以实施平焊以外的其它空间位置的焊接。

1.1.3 产业上成熟的NG-SAW技术

埋弧焊是目前产业领域应用最为广泛的焊接方法之一，也是应用到窄间隙技术中最成熟、最可靠、应用比例最高的焊接方法。到目前为止，在产业上比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种：

（1）NSA技术 它是日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容器、海上钻井平台和机器制造而开发的NG-SAW。采用直焊丝技术及用陶瓷涂的特殊的扁平导电嘴。此技术采用单焊道，并采用单焊丝或串列双丝。焊丝直径3.2mm。以MgO-BaO-SiO2-Al2O3为基本成分的特殊设计的KB-120中性焊剂转变能引起热膨胀，以致具有较好的脱渣性。

（2）Subnap技术 它是由日本钢铁焊接产品工程公司为碳钢和低合金钢Ng-SAW开发的。它采用直焊丝、单焊道和单焊丝或串列双丝。焊丝直径3.2mm。为获得较好的脱渣性，特殊设计了主要成分分别为TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO的2种焊剂。

（3）ESAB技术 它是瑞典NG-SAW设备和焊接材料制造厂家ESAB为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金钢焊接而开发的。设计采用双焊道，并采用固定弯丝。

（4）Ansaldo技术 它是由意大利米兰Ansaldo T P A Breda锅炉厂NG-SAW设备制造商和用户开发的。它采用固定弯曲单焊丝，每层熔敷多焊道。

（5）M A N-GHH技术 它是由西德M A N-GHH Sterkrade为核反应堆室内部件制造而开发的。它采用单焊丝双焊道。

1.2 窄间隙熔化极气体保护焊

1.2.1 窄间隙熔化极气体保护焊简介

窄间隙熔化极气体保护焊是1975年后研制成功的，这一工艺是在采用特殊的焊丝弯曲结构以使焊丝保持弯曲，从而解决坡口侧壁的熔透题目之后得以实现的〔8〕。 


窄间隙熔化极气体保护焊是利用电弧摆动来到达焊接钢板两侧壁的一种方法。在平焊方法中，为了使I形坡口的两边充分焊透，使电弧指向坡口两侧壁，采用了各种方法：①在焊丝进进坡口前，使焊丝弯曲的方法；②使焊丝在垂直于焊接方向上摆动的方法；③麻花状绞丝方法；④药芯焊丝的交流弧焊方法；⑤采用大直径实心焊丝的交流弧焊方法等。另外，也有采用φ（Ar）30%+φ（CO2)70%作为保护气体与ф1.6mm实心焊丝相配合的气体保护焊方法，用来焊接特殊外形复杂的接头。在横焊方法中，为了防止I形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀的焊道，提出了如下焊接方法：利用焊接电流的周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成上下层的焊接方法，以及将2种方式组合起来的焊接方法等。在立焊窄间隙MAG焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝的焊接方法以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法。

1.2.2 产业上成熟的NG-GMAW技术

表面张力过渡<5>(Suface Tension Transfer)技术采用了7个国家的20余项专利，最早于1993年由美国林肯公司的高级工程师Stava发表在Welding Journal上。表面张力过渡技术源于短途经渡技术，但又不同于传统的短途经渡技术，它主要通过表面张力对熔滴的作用实现熔滴过渡。表面张力过渡理论以为，从熔滴与熔池开始接触直到缩颈小桥断裂为止的熄弧期间内，熔滴上没有等离子流力、电弧推力、斑点力、金属蒸汽反作用力等作用力，此时若不考虑重力与电磁力的作用，则熔滴完全在熔滴与熔池融合界面的表面张力作用下完成了向熔池的展展、缩颈、断裂，在短路期间内，缩颈小桥形成时与存在期间输出小的焊接电流与电弧电压，极大地减少了短路液态小桥的爆炸程度，从而减小了飞溅。

表面张力过渡工艺是熔化极气体保护焊方法中短途经渡工艺技术的一次巨大技术进步，它具有以下技术上风：①飞溅率非常低，熔滴呈轴向过渡；②焊接烟尘量小；③作业环境更舒适（低烟尘、低飞溅、低光辐射）；④低热输进条件下熔合优良；⑤具有良好的打底焊道全位置单面焊双面成形能力；⑥操纵更轻易，作业效率更高。

1.3 窄间隙钨极氩弧焊

此种焊接工艺基本不产生飞溅和熔渣，由于电弧的稳定性，也很少产生明显的焊接缺陷，并且也已确立向全位置焊接的应用〔9〕。但是这一方法的缺点在于工作效率低，为了进步工作效率，对填充焊丝通电加热的同时，还应该采用热电阻线焊接法，这种方法的有利方面是可以个别选择焊接电流和填充焊丝的送给量。但是，假如给予填充焊丝过多的通电量，会引起钨极惰性气体保护焊的磁冲击，形成的电弧不稳定。因此，采取将电弧电流和电线电流分别脉冲化或错开其相位，或将单方面的电流交流化等措施。

超高强钢的使用促进了TIG焊在窄间隙焊接中的应用，一般以为TIG焊是焊接质量最可靠的工艺之一〔5〕。由于氩气的保护作用，TIG焊可用于焊接易氧化的非铁金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属（如钼、铌、锆）等，其接头具有良好的韧性，焊缝金属中的氢含量很低。由于钨极的载流能力低，因而熔敷速度不高，应用领域比较狭窄，一般被用于打底焊以及重要的结构中。

1.4 窄间隙焊条电弧焊

由于窄间隙焊接主要面向机械化及自动化生产，焊条电弧焊在窄间隙焊接中的应用未几，而且焊接质量不好控制。但实际生产中，窄间隙焊条电弧焊具有其他焊接方法所不能替换的上风（如使用方便、灵活、设备简单等），因此在某些领域中，如在大坝建筑中用于钢筋的窄间隙焊接，解决了由于钢筋连接技术造成的钢筋偏心受力题目，本钱仅为绑条焊的1/11；对ф18～40mm的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级钢筋均适用〔5〕。

与其它NG技术比较，窄间隙焊条电弧焊应用非常有限。

1.5 窄间隙电渣焊

窄间隙电渣焊除了可以焊接各种钢材和铸铁外，还可以焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金以及铜。它被广泛用于锅炉制造、重型机械和石油化工等行业，近年来在桥梁建造中，窄间隙电渣焊被用于焊接25～75mm的平板结构〔5〕。其焊剂、焊丝和电能的消耗量均比采用埋弧焊低，并且工件厚度越大，效果越明显，焊接接头产生淬火裂纹的倾向小，与传统电渣焊相比，焊缝和热影响区的金属性能更高，可免除或简化焊后的热处理过程。但其设备比较庞大，同时对所用渣剂的脱渣性要求较高。

1.6 窄间隙激光焊

由于激光焊焊接的板厚超过6mm时被列进厚板焊接，而激光焊的坡口宽度很小，此时可以以为是窄间隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度达50mm，深宽比高达12:1。激光焊接的焊缝在焊态下硬度很高，主要含马氏体组织，应进行焊后热处理。由于激光焊要求大功率的激光器，设备要求高，因此在生产领域中的应用是有限的。

2 窄间隙焊接的应用现状

窄间隙焊焊缝较好的力学性能、较低的残余应力与残余变形以及窄间隙焊高的焊接生产率与低的生产本钱，决定着该技术在钢结构焊接领域客观上存在着巨大的应用潜力和广阔的应用范围。从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术具有极大的诱惑力。但从经济角度上看，窄间隙焊接技术的确存在着一个经济板厚范围题目，即享有其技术优越性的同时，能猁明显经济效益的板厚范围。一般来讲，板厚越大，其经济效益也越大。具有明显经济优越性的最小板厚，可称为窄间隙焊的下限板厚。该下限板厚随着结构钢种、结构可靠性要求、结构尺寸及空间位置而变化，但一般为20～30mm。上限板厚只取决于所开发的窄间隙焊技术的焊枪可达深度，理论上不存在上限板厚限制焊枪。已有的窄间隙焊，焊接500～600mm板厚无任何技术障碍。目前，窄间隙焊接已成功地应用到了产业生产中的很多方面，其具体分布结构见表1，2<10>。

表1 NGW应用领域分布表

NGW应用领域 利用率（%）
压力容器和锅炉52.5
产业机械 25
海洋结构和造船12.5
压力水管 10

表2 NGW利用率分布表
NGW方法GMAW GTAW GSAW
利用率（%）75 5 20

在经济建设中，很多大型钢结构、桥梁、舰船以及核反应堆上都要求采用大厚度钢板连接〔10〕。我国焊接钢结构基本上停留于焊条电弧焊水平，窄间隙焊接应用极少，这不仅很难进步劳动生产率，而且焊接质量水平不高。

当前，大厚度钢板越来越广泛地应用于生产中，我国可在传统的焊条电弧焊基础上，加快利用窄间隙焊接的步伐。我国的窄间隙焊接技术可在鉴戒国外偏重于机械式的基础上，利用先进的计算机控制技术，向机械和控制相结合的方面发展，从而成为其今后发展的一个方向。

3 窄间隙焊接的发展方向及其新进展

窄间隙焊具有极高的焊接生产率，更优良的接头力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产本钱等明显技术与经济上风，将其回为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍极其有限，我国不少行业至今在应用上仍没有零的突破。要使窄间隙焊接技术更成熟化、更实用化、技术经济上风更明显化，还应主要从以下方面加快技术开发和技术进步：

（1）开发更低热输进的弧焊技术，以满足高强钢甚至高合金钢、空间位置适应性更宽等方面的需要；
（2）开发GMAW方法的超低飞溅率控制技术（包括电源），以满足窄间隙自动焊工艺过程高可靠性、高稳定性的需要；
（3）开发高抗干扰能力、高可靠性、高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在狭窄坡口内安全可靠运行，电弧在坡口内空间作用位置高度正确的需要。

近10余年来，关于窄间隙焊接新技术的开发研究，世界各国似乎都放慢了速度，原因可能在于超低飞溅率控制技术和高可靠性的实时跟踪控制还未产生技术上的奔腾，而尽对不是窄间隙焊技术已达到尽善尽美的状态。十分可喜的是，各国焊接专家们并没有意气消沉，自上世纪90年代以来在为弧焊技术产生质的奔腾而进行的不懈研究中，取得了令人振奋的新进展，从而为窄间隙焊技术的快速发展奠定了基础。近10余年来的部分进展如下：

（1）采用脉冲旋转射流过渡技术，在降低飞溅率的同时增强两侧壁的熔合；采用磁场控制窄间隙坡口内的电弧摆动；
（2）超低飞溅率（＜3%）表面张力过渡焊机已开发成功（美国Lincoln公司）且已商品化；
（3）采用计算机辅助控制的各种光电、激光等自动跟踪系统相继开发出来（如瑞典ESAB公司、美国Jellin公司以及国内数所大学等）；
（4）恒流CO2焊机、模糊控制半自动GMAW焊机（如日本）等新型电源相继开发出来（有的已商品化）；
（5）高熔敷速度、低飞溅率、无需层间清渣的药芯焊丝的开发，为窄间隙药芯焊丝电弧焊的应用提供了可能性；
（6）高稳定度送丝机构（如双电机、四轮驱动等）已成功应用于常规GMAW方法中。

总之，近年来在GMAW领域开发出来的诸多新工艺、新设备、新装置、新器材，以及产业技术水平的不断进步，都为窄间隙焊的技术进步提供了新思路、新途径和新技术储备。相信在不久的将来，更高效率、更高质量、更低本钱、更可靠、更实用化的窄间隙焊接技术还会不断涌现出来。(end)
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